(57)【要約】【課題】  ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical  System)を応用して簡単な構造を有しながらも高精度のデジタル角速度検出装置を提供する。【解決手段】 本発明に係る角速度検出装置は、基板上に形成され、外部から印加されるパルスが通電される環状の第１コイルを備える固定子、第１コイルと対向配置されパルスを電子誘導作用により誘起される第２コイルを備え、中心から所定半径を持って形成される曲線上に誘起されたパルスが通電される複数個の電極が一定間隔毎に配置され、外力により回転自在に設けられる回転子、及び回転子に具備された複数個の電極と一定区間向かい合う検出電極を具備し、検出電極は回転子に具備される電極のうちいずれか１つと近接する際、近接された電極と検出電極との発生される静電容量の変化回数に基づき回転子の回転量を検出する検出子を有する。このような角速度検出装置によれば、分解能を高めるための複雑な構造を必要としないながらも高い分解能が得られ、回転量を検出する用途以外に距離測定のための用途としても使用可能である。【選択図】       図３Ａ
2005121658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される固定子と、
外力に応答して回転可能であり、中心部から所定の半径を有する曲線上で一定間隔毎に設けられる複数の電極を備える回転子と、 
前記複数の電極と対面する検出電極を備え、前記検出電極と前記複数の電極間に発生する静電容量の変化回数に基づき前記回転子の回転頻度を検出する検出部とを含むことを特徴とするデジタル回転型角速度検出装置。
【請求項２】
前記検出部に備えられる検出電極間の距離は次の数式（１）により算出されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル回転型角速度検出装置:
【数１】
2005121658.tif 000006
ここで、ｄは検出電極間の距離、ｎは検出電極の個数、Ａは前記電極間距離。
【請求項３】
外部から印加されるパルスが通電される環状の第１コイルと、
前記第１コイルと対向配置され前記パルスを電子誘導作用により誘起される第２コイルとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデジタル回転型角速度検出装置。
【請求項４】
前記複数個の電極は、前記パルスを通電可能な導線により相互連結され、前記検出電極と対面する際前記第２コイルにパルスを誘起(induced)することを特徴とする請求項３に記載のデジタル回転型角速度検出装置。
【請求項５】
前記固定子、前記回転子及び前記検出子は、半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル回転型角速度検出装置。
【請求項６】
半導体基板上に所定距離隔てて回転自在に設けられ、中心から所定半径を持って形成される曲線上に一定間隔に穿孔された複数個の溝を備える回転板と、
前記溝にビームを投射する光投射部と、
前記回転板の回転により発生する明暗変化の回数に基づき前記回転板の回転量を検出する検出部とを含むことを特徴とするデジタル角速度検出装置。
【請求項７】
前記光投射部は、
前記曲線の所定区間と向かい合う線上に配置され、前記線上にビームを投射する複数個の光投射体を備えることを特徴とする請求項６に記載のデジタル角速度検出装置。
【請求項８】
前記光投射体は、
前記曲線と対向配置される前記線上に一定距離毎に配置されることを特徴とする請求項６に記載のデジタル角速度検出装置。
【請求項９】
前記距離は下記の数式（２）により算出されることを特徴とする請求項７に記載のデジタル角速度検出装置
Ｄ＝Ｍ＋ｍ・・・（２）
ここで、Ｄは回転量、Ｍは主目盛値、ｍは主目盛と副目盛とが一致する箇所の値。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)を応用したデジタル角速度(Angular  velocity)検出装置に係り、さらに詳しくは簡単な構造を有しながらも高精度のデジタル角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ジャイロスコープのような角速度検出装置は物体の回転方向に対する回転量を測定し、船舶、航空機などで航法装置用部品として使用されている。ジャイロスコープは回転方向に対して垂直方向にコリオリの力(Coriolis force)が加わる原理を用いて角速度を測定し、現在半導体技術の発展に伴って、ＭＥＭＳ技術により生産されている。
【０００３】
図１は一般のＭＥＭＳ技術が適用されたマイクロジャイロスコープの動作原理を説明するための図である。
【０００４】
示されたように、マイクロジャイロスコープは振動する質量体(mass)１１、質量体１１と結合され質量体１１の振動方向と垂直方向で質量体１１に回転力が加わる時これに対応して固定電極１３との静電容量の変化を発生させる電極１２、電極１２と固定電極１３との間に接続される弾性部材１４及び固定電極１３を支持するハウジング１０よりなる。質量体１１が振動する時、外部から回転力が印加されれば回転力が印加される方向と垂直方向にコリオリの力が加わる。もし、コリオリの力が"Ｆ"方向に加わる場合、電極１２と固定電極１３との距離が減少するようになり、これは電極１２と固定電極１３との静電容量の変化として現れる。マイクロジャイロスコープはこのような静電容量の変化を電圧変化に変換することにより角速度変化量を測定する。しかし、このような構造のマイクロジャイロスコープは、角速度変化量を測定するために質量体１１が常に振動状態を維持すべきなので、外部から回転力が印加されない場合、質量体１１の振動自体が測定誤差を発生させる問題点がある。また、電極１２と固定電極１３による静電容量の変化を発生させ、これを測定するためには、電極１２と固定電極１３との距離を小さくすると同時に接触する面積は大きくすべきである。このため、マイクロジャイロスコープは複雑であるが３次元構造の電極１２及び固定電極１３を有するようになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図２は図１に示されたマイクロジャイロスコープを構成する電極１２と固定電極１４の構造に対する一例を示す。 
【０００６】
示されたように、従来のマイクロジャイロスコープは電極１２と固定電極１３との間に十分なキャパシタンスを確保するために電極１２と固定電極１３との距離が極めて狭く、半導体基板で極めて高い高さで電極１２と固定電極１３が形成されていることが分かる。このような３次元構造物を半導体技術を適用して具現しようとすれば、電極１２、及び電極と交差配置される固定電極１３を形成するための工程が極めて複雑になり、形成された電極１２と固定電極１３との距離が全て一定になり難い問題点がある。  
【０００７】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は構造が簡単であり、従来に比べて高精度のマイクロジャイロスコープを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的は、本発明により基板上に形成される固定子、外力に応答して回転可能であり、中心部から所定の半径を有する曲線上で一定した間隔毎に設けられる複数の電極を具備する回転子、及び前記複数の電極と対面する検出電極を具備し、前記検出電極と前記複数の電極間に発生する静電容量の変化回数に基づき前記回転子の回転頻度を検出する検出部により達成される。
【０００９】
前記検出部に具備される検出電極間の距離は次の数式（１）により算出されることが好ましい。
【００１０】
【数１】
2005121658.tif 000003
ここで、ｄは検出電極間の距離、ｎは検出電極の個数、Aは前記電極間距離である。
【００１１】
好ましくは、外部から印加されるパルスが通電される環状の第１コイル、及び前記第１コイルと対向配置され前記パルスを電子誘導作用により誘起される第２コイルをさらに含む。
【００１２】
前記複数個の電極は、前記パルスを通電可能な導線により相互連結され、前記検出電極と対面する際前記第２コイルにパルスを誘起(induced)することが好ましい。
【００１３】
前記固定子、前記回転子及び前記検出子は半導体基板上に形成されることが好ましい。
【００１４】
前述した目的は、本発明により半導体基板上に所定距離隔てて回転自在に設けられ、中心から所定の半径を有して形成される曲線上に一定間隔に穿孔された複数個の溝を備える回転板、前記溝にビームを投射する光投射部、及び前記回転板の回転により発生する明暗変化の回数に基づき前記回転板の回転量を検出する検出部により達成される。
【００１５】
前記光投射部は、前記曲線の所定区間と向かい合う線上に配置され、前記線上にビームを投射する複数個の光投射体を備えることが好ましい。
【００１６】
前記光投射体は前記曲線と対向配置される前記線上に一定距離毎に配置されることが好ましい。
【００１７】
前記距離は、次の数式（２）により算出される。 
Ｄ＝Ｍ＋ｍ ・・・（２）
ここで、Ｄは回転量、Ｍは主目盛値、ｍは主目盛と副目盛とが一致する箇所の値である。
【発明の効果】
【００１８】
以上述べたように、本発明はＭＥＭＳ技術を用いたマイクロジャイロスコープはその分解能を高めるための複雑な構造を必要としないため構造物の信頼性が高くなり、高い分解能が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図３Ａ及び図３Ｂは本発明に係るデジタルジャイロスコープの基本概念を説明するための図である。
【００２０】
まず、図３Ａを参照すれば、外部から印加される回転力に応答して回転する動線上に電気的に連結された多数個の電極１００ａ〜１００ｎが一定間隔毎に配置され、配置された電極１００ａ〜１００ｎと向かい合う位置に検出子１１０が設けられる。電極１００ａ〜１００ｎは検出子１１０と隣接する際に、静電容量の変化を発生させやすいように検出子１１０方向に向かって鋸の歯のように形成される。これにより、電極１００ａ〜１００ｎが回転しつつ検出子１１０を通りすぎる毎に、検出子１１０と電極（１００ａ〜１００ｎのうちいずれか１つ)との間に静電容量の変化が発生する。検出子１１０は、この静電容量の変化が発生する回数をカウントすることにより回転量を検出するようになる。図示していないが、本デジタルジャイロスコープは、検出された回転量を単位時間当りの回転量に換算して角速度を算出する角速度算出回路を具備することができる。
【００２１】
図３Ｂは図３Ａに示された基本概念により具現されるデジタルジャイロスコープの一例を示す。
【００２２】
示されたデジタルジャイロスコープは、回転子(rotator)と固定子１５０を備え、固定子１５０には外部から印加されるパルス(pulse)を通電する第１コイル１５１を備え、回転子(rotator)には外側に一定間隔で形成される電極１００ａ〜１００ｎ、第１コイル１５１と対向配置される第２コイル１０１、及び電極１００ａ〜１００ｎと第２コイル１０１を連結する導線１００を備える。 
【００２３】
第１コイル１５１に通電されるパルス(pulse)は電子誘導作用により回転子(rotator)に具備される第２コイル１０１に印加され、回転子(rotator)に誘導されたパルスは導線１００を介して連結されるそれぞれの電極１００ａ〜１００ｎにパルスを印加する。これにより、回転子(rotator)は外部からパルスを印加されるための別の構造物を必要としないため、その構造が簡単であり構造物の信頼性が高くなる。つまり、従来のように常に振動状態を維持すべき質量体が不要であり、外部から力が印加されない場合における質量体の振動による測定誤差が発生しない。また、静電容量の変化を、電極１００ａ〜１００ｎが検出子１１０を通過する回数により検出するため、従来のように電極１２と固定電極１３との距離を小さくする必要がない。よって、ジャイロスコープの構造を微細に形成する必要がないので、半導体製造技術を用いて容易にジャイロスコープを形成することができる。
【００２４】
図４は本発明に係るデジタルジャイロスコープの他の例を示す。。
【００２５】
示されたデジタルジャイロスコープは光検出方式を用いて回転量を検出する方式であって、回転板２００の外郭に一定間隔隔てて形成される溝(例えば２００ａ〜２００ｃ)、前記溝(例えば２００ａ〜２００ｃに向かってビームを走査するビーム投射部２１０、及びビーム投射部２１０から走査されたビームが溝(例えば２００ａ〜２００ｃのうちいずれか１つ)を通過する際、これを検出するための検出部２２０を具備する。
【００２６】
示されているように、"Ａ"方向に回転板２００が回転する際、ビーム投射部２１０から投射されたビームが溝(例えば、２００ａ〜２００ｃのうちいずれか１つ)を貫通するようになり、検出部２２０は回転板２００の回転により発生する明暗変化の回数に基づき前記回転板２００の回転量を検出することができる。ここで、検出部２２０は、ビームの受信有無が検出可能なフォトトランジスタやフォトダイオードのような光検出素子を使用することができる。
【００２７】
図５は図３Ａに示したデジタルジャイロスコープの詳細な構造図である。
【００２８】
同図によれば、回転子(rotator)の中心軸Ｚから所定の半径を有する位置に電極１００ａ〜１００ｎが配置され、配置された電極１００ａ〜１００ｎは互いに電気的に連結される。回転子(rotator)の上側には検出子１１０が設けられ、検出子１１０の終端に設けられるヘッド１１１には電極(例えば、２００ａ〜２００ｃのうちいずれか１つ)と対向する位置に多数個の検出電極１１１ａ〜１１１ｎを備える。この際、各検出電極１１１ａ〜１１１ｎ間の距離は各電極１００ａ〜１００ｎ間の距離より大きい値を有する。すなわち、 回転子が "Ａ"方向に回転する際、それぞれの検出電極１１１ａ〜１１１ｎとそれぞれの電極１００ａ〜１００ｎが全て対向するよう配置されることはない。  
【００２９】
図６は図５に示した検出子１１０に具備される検出電極１１１ａ〜１１１ｎにより回転子１００の回転量が算出される原理を説明するための図である。
【００３０】
図面の上側には主目盛(main)が示され、下側には副目盛(sub)が示される。主目盛(main)に示された１、２、３はそれぞれ１０、２０、３０ｎｍを示し、主目盛(main)を形成する各目盛間の距離は１ｎｍである。主目盛(main)の２０ｎｍを単位長さと設定する時、副目盛(sub)は総１９ｎｍの長さを有する。これは、物体の長さを測定するバーニヤキャリパー(vernier calipers)の原理を応用したもので、主目盛(main)の単位長さに対する副目盛(sub)の個数により分解能が変わる。図面では副目盛(sub)の目盛 "０"が主目盛(main)の１２ｎｍと１３ｎｍ目盛間に配置され、副目盛(sub)の目盛４が主目盛(main)の目盛２とマッチングされる。これをバーニヤキャリパーの測定原理を用いて数値に換算すれば、１２．４ｎｍの測定値が得られる。すなわち、主目盛(main)が有する１ｎｍの分解能に比べて１０倍の分解能が得られる。これにより、測定される長さの分解能を高めようとすれば単位長さ当り副目盛の個数を増やせば良い。この際の副目盛(sub)間の距離は次の数式（１）により算出される。
【００３１】
【数２】
2005121658.tif 000004
ここで、ｄは測定距離、ｎは副目盛の個数、Ａは主目盛間距離を示す。
【００３２】
数式（１）に基づき図５に示されたデジタルジャイロスコープの測定方式を説明すれば次の通りである。
【００３３】
まず、回転子が"Ａ"方向に回転する際、ヘッド１１１に具備される検出電極１１１ａは電極１００ｃと対向し、電極１００ｃと固定電極１１１ａとの間には静電容量の変化が発生する。この際、単位長さ当り電極１００ａ〜１００ｎの個数が固定電極１１１ａ〜１１１ｎの個数より多ければ、単位長さ内では電極１００ａ〜１００ｎの１つ(例えば１００ｅ)だけが固定電極１１１ｃと対向するようになる。従って、これを前記数式（１）に適用すれば、回転子(rotator)の回転量は次の数式（２）のようになる。
Ｄ＝Ｍ＋ｍ・・・（２）
ここで、Ｄは回転量、Ｍは主目盛値、ｍは固定電極１１１と電極１００が一致する箇所の値を示す。
【００３４】
すなわち、図５に示されたデジタルジャイロスコープの電極１００ａ〜１００ｎは図６に示した主目盛(main)として働き、固定電極１１１ａ〜１１１ｎは副目盛(sub)の役割を果たす。
【００３５】
図７は図４に示されたデジタルジャイロスコープの詳細構造図である。
【００３６】
示されたデジタルジャイロスコープはビーム投射部２１０、外部からの回転力に対応して回転し、一定距離毎に穿孔された溝を具備する回転板２００、及び溝２００ａ〜２００ｎを通して貫通されたビームを検出するための検出部２２０を備える。ビーム投射部２１０に具備されるビーム投射体１〜ｎと検出部２２０に具備される検出素子２２０ａ〜２２０ｎは対向配置される。すなわち、ビーム投射部２１０から回転板２００に向かって走査されるビームが溝２００ａ〜２００ｎを通して貫通し、貫通された位置に配置された検出素子（２２０ａ〜２２０ｎのうちいずれか１つ)がビームに反応するようになる。ここで、ビーム投射部２１０に具備されるビーム投射体１〜ｎ間の距離と回転板２００に単位長さ当り配置される溝２００ａ〜２００ｎ間の距離は次の数式（３）の通りである。
【００３７】
【数３】
2005121658.tif 000005
ここで、ｄはビーム間距離、ｎは単位長さ当り前記溝の個数、Ａは前記溝間距離を示す。従って、数式（３）は、前記数式（２）と同様に数式（４）のようになる。
Ｄ＝Ｍ＋ｍ・・・（４）
ここで、Ｄは回転量、Ｍは主目盛値、ｍは主目盛と副目盛が一致した箇所の値を示す。すなわち、前記数式（４）によれば、示されたデジタルジャイロスコープの溝２００ａ〜２００ｎは図６に示された主目盛(main)の役割を果たし、検出素子２２０ａ〜２２０ｎは副目盛(sub)の役割を果たす。
【００３８】
これにより、本発明に係るデジタルジャイロスコープは回転量を検出する際分解能を高めるために回転板２００に分解能に当たる個数の溝を具備しなくてもよい。分解能を高めようとすればビーム投射体１〜ｎと、ビーム投射体１〜ｎから回転板２００に向かって投射されるビームを検出するための検出素子２２０ａ〜２２０ｎの個数を増やすことにより具現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
このような構造の角速度検出装置は回転量を検出する用途以外に距離測定のための用途としても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一般のＭＥＭＳ技術が適用されたマイクロジャイロスコープの動作原理を説明するための図である。
【図２】図１に示したマイクロジャイロスコープを構成する電極と固定電極の構造に対する一例による図である。
【図３Ａ】本発明に係るデジタルジャイロスコープの基本概念を説明するための図である（１）。
【図３Ｂ】本発明に係るデジタルジャイロスコープの基本概念を説明するための図である（２）。
【図４】本発明に係るデジタルジャイロスコープの他の例である。
【図５】図３Ａに示したデジタルジャイロスコープの詳細構造図である。
【図６】図５に示した検出子に具備される検出電極により回転子の回転量が算出される原理を説明するための図である。
【図７】図４に示したデジタルジャイロスコープの詳細構造図である。
【図１】
2005121658.tif 000007
【図２】
2005121658.tif 000008
【図３Ａ】
2005121658.tif 000009
【図３Ｂ】
2005121658.tif 000010
【図４】
2005121658.tif 000011
【図５】
2005121658.tif 000012
【図６】
2005121658.tif 000013
【図７】
2005121658.tif 000014